Des physiciens de l'Université Rutgers ont découvert de nouvelles propriétés dans un matériau qui pourraient donner lieu à des cellules solaires en plastique efficaces et peu coûteuses pour une production d'électricité sans pollution.
La découverte, mis en ligne et prévu pour publication dans un prochain numéro de la revue Matériaux naturels , révèle que les particules porteuses d'énergie générées par des paquets de lumière peuvent voyager de l'ordre de mille fois plus loin dans les semi-conducteurs organiques (à base de carbone) que les scientifiques ne l'avaient observé auparavant. Cela renforce l'espoir des scientifiques que les cellules solaires basées sur cette technologie naissante puissent un jour dépasser les cellules solaires au silicium en termes de coût et de performances, augmentant ainsi la praticité de l'électricité solaire en tant que source d'énergie alternative aux combustibles fossiles.
« Les semi-conducteurs organiques sont prometteurs pour les cellules solaires et d'autres utilisations, tels que les écrans vidéo, car ils peuvent être fabriqués dans de grandes feuilles de plastique, " a déclaré Vitaly Podzorov, professeur assistant de physique à Rutgers. "Mais leur efficacité de conversion photovoltaïque limitée les a retenus. Nous nous attendons à ce que notre découverte stimule davantage le développement et les progrès."
Podzorov et ses collègues ont observé que les excitons - des particules qui se forment lorsque les matériaux semi-conducteurs absorbent les photons, ou particules légères - peuvent voyager mille fois plus loin dans un semi-conducteur organique cristal extrêmement pur appelé rubrène. Jusqu'à maintenant, On a généralement observé que les excitons parcouraient moins de 20 nanomètres – des milliardièmes de mètre – dans les semi-conducteurs organiques.
"C'est la première fois que nous observons des excitons migrer de quelques microns, " dit Podzorov, notant qu'ils ont mesuré des longueurs de diffusion de deux à huit microns, ou des millionièmes de mètre. Ceci est similaire à la diffusion d'excitons dans les matériaux de cellules solaires inorganiques tels que le silicium et l'arséniure de gallium.
"Une fois que la distance de diffusion des excitons devient comparable à la longueur d'absorption de la lumière, vous pouvez collecter la majeure partie de la lumière du soleil pour la conversion d'énergie, " il a dit.
Les excitons sont des entités semblables à des particules constituées d'un électron et d'un trou d'électron (une charge positive attribuée à l'absence d'électron). Ils peuvent générer une photo-tension lorsqu'ils frappent une frontière ou une jonction de semi-conducteur, et les électrons se déplacent d'un côté et les trous se déplacent de l'autre côté de la jonction. Si les excitons ne diffusent que des dizaines de nanomètres, seuls ceux qui sont les plus proches des jonctions ou des limites génèrent de la photo-tension. Cela explique les faibles rendements de conversion électrique des cellules solaires organiques d'aujourd'hui.
"Maintenant, nous perdons 99% de la lumière du soleil, " a noté Podzorov.
Alors que les cristaux de rubrène extrêmement purs fabriqués par les physiciens de Rutgers ne conviennent qu'à la recherche en laboratoire à l'heure actuelle, la recherche montre que le goulot d'étranglement de la diffusion des excitons n'est pas une limitation intrinsèque des semi-conducteurs organiques. Le développement continu pourrait aboutir à des matériaux plus efficaces et plus faciles à fabriquer.
Les scientifiques ont découvert que les excitons dans leurs cristaux de rubrène se comportaient davantage comme les excitons observés dans les cristaux inorganiques - une forme délocalisée connue sous le nom de Wannier-Mott, ou WM, excitons. Les scientifiques pensaient auparavant que seule la forme plus localisée des excitons, appelés excitons de Frenkel, étaient présents dans les semi-conducteurs organiques. Les excitons MW se déplacent plus rapidement à travers les réseaux cristallins, résultant en de meilleures propriétés opto-électroniques.
Podzorov a noté que la recherche a également produit une nouvelle méthodologie de mesure des excitons basée sur la spectroscopie optique. Comme les excitons ne sont pas chargés, ils sont difficiles à mesurer à l'aide de méthodes conventionnelles. Les chercheurs ont développé une technique appelée spectroscopie photocourante résolue en polarisation, qui dissocie les excitons à la surface du cristal et révèle un grand photocourant. La technique doit être applicable à d'autres matériaux, Podzorov affirme.
